Une image montrant la façon dont Ziapin pénètre et module l'épaisseur de la membrane, provoquant des changements dans les propriétés électriques (capacité, potentiel de membrane et potentiels d'action). Crédit :DiFrancesco et al.
Les technologies optiques qui peuvent être utilisées pour moduler l'activité neuronale ouvrent des possibilités passionnantes pour la recherche en neurosciences et en biologie. Les outils optiques permettent aux neuroscientifiques d'exciter et d'inhiber à volonté des neurones ou des zones du cerveau. Ils peuvent ainsi être utilisés pour étudier la fonction de circuits ou de régions spécifiques du cerveau, ainsi que d'identifier de nouveaux traitements potentiels pour les maladies neurologiques et psychiatriques.
La génération de photocommutateurs azobenzène captifs ciblés sur les bicouches membranaires ou liés à des canaux ioniques est une technique optique pionnière qui pourrait aider davantage l'étude du cerveau humain. Cette technique, cependant, en particulier lorsqu'il est mis en œuvre à des intensités lumineuses élevées, peut entraîner une augmentation considérable de la température et peut donc être nocif pour les neurones lorsqu'il est utilisé à plusieurs reprises.
Pour surmonter cette limite, chercheurs de l'Institut italien de technologie (IIT) en collaboration avec Politecnico di Milano, ont récemment créé un nouveau composé d'azobenzène photosensible, surnommé Ziapin2, qui peut être utilisé pour construire des photocommutateurs qui n'augmentent pas en température lorsqu'ils sont irradiés avec de la lumière visible. Ce nouveau composé, présenté dans un article publié dans Nature Nanotechnologie , partitions dans la membrane plasmique avec une grande stabilité, permettant son amincissement et une augmentation de capacité en régime établi.
"Notre étude s'est inspirée (ou bio-inspirée) de deux constats, " Guglielmo Lanzani, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore. « La première est que, dans l'ensemble, la nature capte la lumière dans les cellules vivantes à l'aide de molécules photochromiques (par exemple, la rétine dans les photorécepteurs de la rétine). La seconde est que la perturbation de la membrane des neurones et en particulier un changement de capacité électrique (la capacité de stocker des charges) conduit à excitation cellulaire, comme observé en chauffant la cellule."
Molécules photochromiques, tels que le composé azobenzène conçu par Chiara Bertarelli, Guglielmo Lanzani et Fabio Benfenati, peuvent changer de forme après avoir absorbé la lumière. Ce changement affecte également certaines de leurs propriétés, y compris leur encombrement stérique (c'est-à-dire, le volume qu'ils occupent), couleur et propriétés électriques.
Lorsqu'il est appliqué sur une membrane, cette caractéristique permet aux molécules photochromes de jouer le rôle d'interrupteurs ou de ressorts mécaniques, moduler l'épaisseur de la membrane lors de l'absorption de la lumière et ainsi changer sa capacité électrique. Cela permet à son tour une série de phénomènes, conduisant finalement à un potentiel d'action dans les neurones.
"Les méthodes utilisées dans notre étude nous ont permis d'obtenir un mécanisme de stimulation non thermique pour induire une sensibilité à la lumière dans les cellules et tissus vivants, " Lanzani a expliqué. "Notre approche est également non génétique (évite la thérapie génique) et non covalente (évite les modifications chimiques permanentes de la cellule). En d'autres termes, c'est un outil peu invasif."
Lorsqu'ils ont appliqué des impulsions millisecondes de lumière visible aux neurones chargés du composé qu'ils ont créé, Benfenati, Lanzani et leurs collègues ont observé une hyperpolarisation transitoire résultante, peu de temps après une dépolarisation retardée qui a finalement déclenché le déclenchement des potentiels d'action. Ces effets se sont avérés persistants et les chercheurs ont pu les provoquer in vivo jusqu'à 7 jours consécutifs.
"La principale réalisation de notre étude est que nous avons pu stimuler les neurones sans manipulations optogénétiques et sans interférer directement avec les canaux ioniques membranaires, " Benfenati a déclaré à TechXplore. " Nous l'avons fait simplement en provoquant une déformation transitoire de la membrane qui rend les neurones électriquement plus stables dans l'obscurité et est libéré sous stimulation lumineuse, évoquant le tir potentiel d'action."
Ziapin2, le composé introduit par Lanzani, Benfenati, Bertarelli et leurs collègues, permet la modulation de la capacité électrique membranaire à l'échelle de la milliseconde, sans provoquer de changement de température. À l'avenir, il pourrait être utilisé pour développer des photocommutateurs pour la recherche en neurosciences qui sont moins nocifs pour les neurones.
« Nos plans pour la poursuite des recherches sont doubles, " dit Benfenati. " D'un côté, nous prévoyons de stimuler l'application de Ziapin pour exciter les circuits rétiniens dans des modèles expérimentaux de dégénérescence de la rétine ou de défier les circuits cérébraux malades. D'un autre côté, nous recherchons des variantes de Ziapin qui sont plus solubles dans l'eau (et peuvent donc être administrées de manière plus sûre) et qui restent dans la membrane plus longtemps.
© 2020 Réseau Science X
